基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設計

基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設計摘要：介紹了一種GPRS無線靜態圖像傳輸系統的軟件和硬件實現方案，重點討論了終端移動臺以及通過Internet傳輸圖像數據的通信軟件設計。此外，還介紹了進行無線網絡數據傳輸時，GPRS客戶端使用的兩種流控制方法。
關鍵詞：GPRS無線網絡通信TCP/IP協議圖像傳輸

GPRS是GSM系統中提供分組業務的一種方式，對于2G向3G的過渡，GPRS是使用最廣的能解決移動通信與IP結合的技術方案。因其具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、覆蓋面廣等優點，電力抄表、金融證券、智能交通等部門都開始逐步利用GPRS進行遠程監控和數據傳輸。而在各類數據業務中，尤以圖像傳輸的應用最具代表性。當前，快速發展的GPRS亦面臨不少問題：各種開展GPRS業務的應用軟件還有待開發；大量多功能的GPRS終端設備也需生產等

本文基于當前GPRS的發展狀況，研究如何利用GPRS技術進行靜態圖像傳輸以及如何通過驅動GPRS模塊經過GPRS無線網連接Intemet，實現移動臺與公網監控中心問的可靠數據無線通信。其優點在于：(1)無線上網，適用于可移動目標；(2)覆蓋面廣，適用于偏遠及分散目標；(3)傳輸可靠，傳輸速率遠高于GSM系統。

1 GPRS無線通信系統總體結構
GPRS無線通信系統結構圖如圖1所示。該系統主要由三大部分組成：移動臺(MS)(控制機+GPRS開發板)、GPRS通信網(包括基站控制器BSC、服務支持節點、骨干網以及業務支持節點等)和監控中心部分

移動臺通過GPRS模塊連接到改造后的GSM基站(包括BSC、BTS和PCU)，然后連接到GPRS服務支持節點SGSN，通過SGSN與GPRS網關支持節點GGSN通信，GGSN對分組數據進行相應處理，發送到Internet上，實現移動臺與監控中心的通信。

監控中心主要由網絡服務器及顯示器組成。移動臺的數據信息通過GPRS網傳至GPRS網關。網關通過Internet以IP協議將這些信息發至監控中心的網絡服務器。監控中心的控制信息亦通過此通信鏈路下達移動臺：來自Internet標識有移動臺地址的TP包，由GGSN接收，再轉發SGSN，繼而傳送到移動臺。

2 圖像傳輸系統的硬件設計
系統的發送端硬件部分主要是移動臺MS部分，包括移動終端(MT)和終端設備(TE)。TE即控制機，設計采用PC機對MT實行通信控制。MT主要基于GPRS／GSM模塊，需連接外圍電路構成完整的移動終端。移動終端通過接收控制機發送的AT指令實現各種無線通信功能。

2．1 GPRS無線模塊的功能及接口
GPRS模塊是整個移動終端的核心，采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模塊。Q2406B為GPRSl0級產品，與外部電路的接口由一個60引腳的通用連接器提供。Q2406B屬WISMO 2D系列，在機件特質、倒模、軟件及硬件接口方面與WISMO 2C完全兼容，包含以前型號模塊的所有功能。由于嵌入了可選TCP／IP協議棧，直接通過AT指令就能接入Intemet，省去了常用的TCP/IP處理模塊及編程時調用各種API函數的繁瑣。Q2406B模塊的功能接口描述如圖2所示。

(1)電源接口：給模塊射頻部分供電一般為3．6V，基帶部分供電不得低于3．1V。可采用符合波紋系數要求的電源作為輸入。同時為兩部分供電。
(2)SIM卡接口：提供了符合GSMll．12規范的3VSIM卡接口。若要連接5V SIM卡(GSM11．11規范)，可外接3～5V電平轉換器(如LTCl555)實現。
(3)話音輸入輸出接口：包括兩路話筒輸入輸出接口。
(4)RF天線電路接口：有直接和非直接兩種天線連接方式。
(5)I／O接口：包括GPIO接口、uART接口、鍵盤及SPI接口。

2.2 電路功能接口實現
Q2406B模塊與外圍電路連接，移動終端硬件設計框圖如圖3所示。

(1)供電：外部供電要穩定，若小于3．3V則GPRS模塊無法登錄網絡；若大于4．5V，則會燒壞模塊。
(2)UART串口：移動終端通過UART與控制機串口通信，接收AT指令和傳輸數據。Q2406B模塊是TTL器件，串口不能直接與’PC機的EIA-RS-232C連接器相連，采用MAX3237驅動串口。

與02406B進行串口通信至少需要四種信號：TXD、RXD、RTS和CTS。后兩種信號用于硬件流控制，防止傳輸時數據丟失。詳見通信軟件設計部分。

(3)SIM卡接口：3V SIM卡檢測信號輸出，但Q2406B模塊提供了SIM卡檢測輸入引腳SIMPRES，且SIMPRES信號由低變高表示SIM卡插入，為使模塊能檢測到SIM卡，設計直接將SIMPRES管腳連高電平
 

(4)音頻處理：兩路音頻接口中一路自帶偏置，一路需外接偏置。音頻接口內部連接了運放，差分模式比單端模式更利于防止噪聲，所以兩路都采用差分連接，通過電容電感組成的濾波網絡可連接電話手柄進行通話。

(5)RF天線匹配采用非直接連接法。使用阻抗為50Ω的同軸電纜，與GPRS模塊射頻部分的傳輸阻抗匹配。電纜另一端連接阻抗亦為50Ω的天線，大大減小了回波反射，設備移動靈活。
 

(6)設計還包括一些輔助電路：軟件下載電路、LED指示燈電路、開關及復位電路，可使硬件平臺更有效、安全地工作。
 

2.3 系統電磁兼容性設計
電磁干擾是無線終端設計中需重點考慮的環節。GPRS模塊的工作頻率在900/1 800MHz，發射功率峰值達2W，處理不當，會對外圍電路產生干擾。克服各類干擾．確保穩定工作是布板首要考慮的問題。本設計從以下幾方面采取措施：

(1)盡量采用貼片封裝的器件，避免采用DIP類型的器件，減小電流發射(感應)環路面積，同時節約了板圖面積。
(2)采用四層PCB板，保證信號和電源的完整性，避免傳輸過程中的損耗，把供電和地彈噪聲降到最小。良好的接地還能起到更好的靜電保護和散熱作用，設計對所有信號(模擬／數字，射頻)使用同一地線。
(3)對重點信號布線著重考慮。為保護SIM卡及串口輸出等敏感部分免受射頻及尖峰脈沖干擾，采用高速防靜電管ESDA6V1L、DAI6V1L加以保護；音頻信號線采用地線隔離、屏蔽，以減小外界的干擾。
(4)合理布置器件的位置，減小走線長度，SIM卡接口線長度應小于lOom。
(5)供電線路旁增加去耦電容，保證供電穩定。

2.4 系統熱防護設計
02406B的工作溫度為一20叫~+55℃，RF發射功率較大，應進行散熱設計，防止長時間工作產生的熱量燒壞模塊。
(1)把Q2406B模塊隔離罩上的接地管腳同時焊到PCB板兩面，加速模塊散熱。
(2)選擇與GPRS模塊射頻匹配的天線，減少天線回波反射產生的熱量。
(3)元件布局也要注意散熱：大功率的GPRS模塊靠邊放置，便于散熱；發射天線附件不放元件，特別是電容，以免電解液受熱過早老化。

3 圖像傳輸系統的軟件設計
3．1 設計目的
軟件設計目的：通過向GPRS模塊發送AT指令，控制移動終端的通信過程，使移動臺能借助GPRS提供的網關和路由接入Intemet，并通過TCP/IP網絡協議完成與Internet上監控中心傳輸圖像數據的任務。

基于以上要求，設計了通信軟件，即GPRS客戶端軟件和服務器端軟件。

3．2 GPRS無線模塊通信指令
WISMO 2D模塊的軟件部分對外提供了控制系統操作的AT指令集，通過接收來自UART的AT指令，解釋并執行相應操作，實現無線Modem相應功能。

由于編寫的程序過長，只列出進行TCP傳輸用到的主要AT指令：
AT+CGREG=1；//設置GPRS注冊狀態
AT+CGATT=l；//GPRS網絡附著
AT#APNSERV=“CMNET”；//設置GPRS接入點
AT#APNUN=″″；//身份驗證用戶名設為空
AT#APNPW=″″；//身份驗證密碼設為空
AT# ConnectionStart；//連接CPRS網登錄Internet，成功返回動態分配的IP地址
AT#TCPSERV=″202.112.135.203″：//設置服務器IP地址，即監控中心的IP地址
AT#TCPPORT=″6000″：//設置服務器與客戶端通信的Socket端口：
AT#otcp；//打開與遠程服務器的TCP連接

TCP連接成功后，GPRS模塊進入數據傳送狀態，這時就可通過串口向GPRS模塊發送圖像數據，模塊通過Socket發送到監控中心，監控中心也能向模塊發送回應數據。數據傳完后控制機向GPRS模塊發送終止字符，移動終端又回到AT指令接收狀態。

3.3 GPRS客戶端軟件
運行于控制機上的客戶端軟件具有以下功能：
(1)串口通信，包括AT指令通信和數據文件通信。
(2)顯示傳輸過程計時，用于測試系統的傳輸速率。
(3)中止GPRS模塊TCP協議棧通信。系統傳輸出錯時中止協議棧工作。

Q2406B內嵌TCP協議棧的緩存區有限，若串口寫入速率遠高于GPRS傳輸速率，協議棧將會丟失數據。為保證數據傳輸的可靠性，必須進行流控制。設計中采用了兩種流控制方法：數據分包法和硬件握手法。

采用數據分包法的GPRS客戶端傳輸圖像文件流程圖如圖4所示。該方法將圖像文件先打成若干個小數據包，逐個寫入串口，由GPRS模塊發送。監控中心的服務器端接收完一個數據包后返回應答幀，GPRS模塊再發下一個數據包。若超時還未返回應答幀，則重發上一個數據包。此法犧牲了一定時間，但很好地保證了圖像傳輸的可靠性。

硬件握手法采用9線串口中的硬件握手信號：RTS/CTS做流控制。系統工作時。控制機使用RTS啟動GPRS模塊的數據流，GPRS模塊用CTS啟動和暫停來自控制機的數據流。當緩存區內數據量達到高位時，模塊將CTS線置低電平，控制機程序檢測到CTS為低后，就停止發送數據，直到協議棧緩存區的數據量低于低位而將CTS置高電平。

此法也可保證寫入數據不丟失，而且傳輸圖像文件的耗時低于前種方法。但它不能用于簡化的三線串口協議，也不能如前種方法那樣檢測到GPRS數據傳輸過程中的丟包現象，通過重發來保證傳輸過程的可靠性。 

3.4 GPRS服務器端軟件
GPRS圖像傳輸系統采用多個移動終端都與監控中心服務器連接的方法。服務器采用普通Internet上的主機方式，作為TCP服務器端，具有靜態公網IP，開放了偵聽端口，可從外部訪問，其上運行TCP端口監聽程序，接收來自移動臺的TCP數據包，并向移動臺發送回應數據。采用數據分包法的GPRS服務器端接收圖像文件流程如圖5所示。該服務器端軟件具有以下功能：(1)監聽TCP端口；(2)接收數據包，發送接收應答幀；(3)顯示接收數據和大小，保存圖像文件。

本系統的發送端設計了兩種流控制方法，一種從硬件上實現，另一種從軟件上實現。前者在網絡狀況穩定的情況下，傳輸速度較快。后者可有效保證整個GPRS傳輸過程的穩定可靠，并能直接用于簡化的三線串口協議，當控制機采用嵌入式微處理器時，能方便地與微處理器串口相連，無需串口轉換芯片。

使用中國移動提供的普通GPRS業務進行測試，本系統的傳輸速率可達10kbps，大量測試中未出現丟失數據的情況，整套系統工作穩定可靠。同時也可勝任傳輸任何形式的文件數據，應用于需要遠程傳送數據的系統中。